以色列理工學院(IsraelInstituteofTechnology，簡稱Technion)的研究人員已經開發出一種僅使用太陽能就可以高效、安全生產氫氣的原型系統，這是世界上第一個利用太陽能在兩個不同的層面將水分解成氫和氧的系統。

這項研究發表在《焦耳》雜志上，由GrandTechnion能源計劃的博士生AvigailLandman和材料科學與工程學院的研究生RawanHalabi共同領導。這項研究是在化學工程學院的GideonGrader教授、材料科學與工程學院的AvnerRothschild教授、葡萄牙波爾圖大學的AdelioMendes教授和PaulaDias博士的共同指導下進行的。

這個創新系統包含一個串聯太陽能電池裝置，使其更有效地利用光譜。一些太陽輻射被上層吸收，上層是由半透明的氧化鐵構成的。沒有被這一層吸收的輻射通過它，隨后被光伏電池吸收。這兩層系統一起提供分解水所需的能量。

從理論到應用

該創新系統是Technion研究團隊在2017年3月發表于《自然材料》雜志上的一篇文章中所提出的理論突破的延續。在那篇文章中，研究人員介紹了氫氣生產的一個典型轉變：不再是一個生產單元，水被分解成氫和氧，研究人員開發了一個系統，氫和氧在兩個完全不同的單元中形成。這一進展之所以重要，部分原因在于氧和氫的混合物會產生爆炸的風險。研究人員證明了在實驗室系統中使用傳統電源的可行性。

現在，在《焦耳》發表的最新研究中，研究人員展示了該理論在應用開發中的實現——一個光電化學原型系統，它僅利用陽光在兩個獨立的電池單元中產生氫和氧。作為實驗的一部分，進行了大約80個工作小時(10天，每天約8小時)，證明了該系統在自然光照下的效率。

背景

在我們生活的許多領域，氫是一種非常受歡迎的材料。今天產生的大部分氫被用來制造氨，用于生產對現代農業至關重要的化肥。此外，氫是主要的替代燃料來源之一，特別是在交通領域。在運輸方面，與礦物燃料相比氫有以下幾個優點：

它可以使用太陽能等綠色能源從水中產生，從而減少對礦物燃料的依賴；氫可以儲存可再生能源，例如太陽能和風能，這些能源并非全天都可用；與排放大量空氣污染的柴油和汽油發動機不同，氫發動機的唯一副產物是水。

今天，世界上大部分的氫是由天然氣生產的。但是，隨著這個過程而來的是二氧化碳的排放，其對環境的破壞是眾所周知的。另一種生產方法是電解水(H2O)得到氫(H2)和氧(O2)。雖然電解過程早在200多年前就被發現了，但至今尚未開發出突破性的電解技術。近年來，隨著向替代能源轉變的重要性與日俱增，電解過程的改進正變得越來越重要。

在這樣的背景下，光電化學過程得以發展，它利用陽光輻射直接分解水。盡管如此，也存在各種各樣的技術挑戰。例如，使用傳統的電解方法生產氫——在同一生產單元中將水分解成氫和氧——存在風險，因為氫和氧的接觸會導致爆炸。此外，在大規模的太陽能領域，在這種配置下很難產生氫氣。因此，《焦耳》中介紹了當前技術突破的重要性。

研究人員希望學術界和產業界能夠繼續推進這一系統，并最終實現其商業化。

這項研究得到了南茜和斯蒂芬·格蘭德西尼昂能源項目(GTEP)的支持，資金來自美國捐助者埃德·薩特爾、阿德利斯基金會、能源部和歐洲委員會(ERC的兩筆贈款)以及國家科學基金會帕特卓越中心。